Это открытие может открыть новые возможности для фотонных материалов, которые манипулируют светом так, как не могут природные кристаллы. Это также продемонстрировало необычный эффект, который команда называет компартментализацией энтропии.

"Мы разрабатываем новые способы структурирования вещества в различных масштабах, открывая возможности и какие силы мы можем использовать", - сказала Шарон Глотцер, заведующая кафедрой химической инженерии Энтони К. Лембке, которая возглавляла исследование, опубликованное сегодня в журнале Химия природы"Энтропийные силы могут стабилизировать даже более сложные кристаллы, чем мы думали".

Хотя энтропию часто объясняют как беспорядок в системе, она более точно отражает тенденцию системы максимизировать свои возможные состояния. Часто это заканчивается беспорядком в разговорном смысле. Молекулы кислорода не собираются вместе в углу - они распространяются, заполняя всю комнату. Но если вы положите их в коробку нужного размера, они естественным образом упорядочатся в узнаваемую структуру.

Наночастицы делают то же самое. Ранее команда Глотцера показала, что частицы бипирамиды - похожие на две короткие трехгранные пирамиды, соединенные вместе у своих оснований, - образуют структуры, напоминающие структуру огненного льда, если поместить их в достаточно маленькую коробку. Огненный лед состоит из молекул воды, которые образуют клетки вокруг метана, и он может гореть и таять одновременно. Это вещество в изобилии встречается на дне океана и является примером клатрата. Клатратные структуры находятся в стадии изучения для широкого спектра применений, таких как улавливание и удаление углекислого газа из атмосферы.

В отличие от водных клатратов, в более ранних клатратных структурах из наночастиц не было пробелов для заполнения другими материалами, которые могли бы предоставить новые и интересные возможности для изменения свойств структуры. Команда хотела это изменить.

"На этот раз мы исследовали, что произойдет, если мы изменим форму частицы. Мы рассудили, что если мы немного укоротим частицу, это создаст пространство в клетке, образованной бипирамидными частицами", - сказал Сангмин Ли, недавний выпускник докторантуры в области химической инженерии и первый автор статьи.

Он снял три центральных угла с каждой бипирамиды и обнаружил приятное место, где в структуре появлялись пробелы, но стороны пирамид все еще оставались достаточно неповрежденными, чтобы они не начали организовываться по-другому. Промежутки заполнялись большим количеством усеченных бипирамид, когда они были единственной частицей в системе. Когда была добавлена вторая форма, эта форма стала захваченной гостевой частицей.

У Глотцера есть идеи о том, как создать избирательно липкие стороны, которые позволили бы различным материалам выступать в качестве клеток и гостевых частиц, но в данном случае не было клея, удерживающего бипирамиды вместе. Вместо этого структура была полностью стабилизирована энтропией.

"Что действительно интересно, глядя на симуляции, так это то, что хост-сеть почти заморожена. Частицы-хозяева движутся, но все они движутся вместе, как единый твердый объект, что именно и происходит с клатратами воды", - сказал Глотцер. "Но гостевые частицы вращаются как сумасшедшие - как будто система сбросила всю энтропию в гостевые частицы".

Это была система с наибольшим количеством степеней свободы, которую усеченные бипирамиды могли построить в ограниченном пространстве, но почти вся свобода принадлежала частицам-гостям. Исследователи говорят, что метан в водных клатратах тоже вращается. Более того, когда они удалили гостевые частицы, структура выбросила бипирамиды, которые были частью сетевой структуры клетки, внутрь клетки - было важнее иметь в наличии вращающиеся частицы для максимизации энтропии, чем иметь целые клетки.

- Разделение энтропии на части. Разве это не круто? Держу пари, что это происходит и в других системах - не только в клатратах", - сказал Глотцер.

Тхи Во, бывший постдокторский исследователь в области химической инженерии в Калифорнийском университете, а ныне доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Университете Джона Хопкинса, внесла свой вклад в исследование.

Это исследование финансировалось Министерством энергетики и Управлением военно-морских исследований, а вычислительные ресурсы были предоставлены Центром экстремальных научных и инженерных открытий Национального научного фонда и Мичиганским университетом.

Глотцер также является заслуженным профессором инженерного дела Университета Джона Вернера Кана, профессором химического машиностроения колледжа Стюарта У. Черчилля и профессором материаловедения и инженерии, науки о макромолекулах и инженерии техники и физики.